211service.com
Het eerste theoretische model van laadcyclusprestaties kan een revolutie teweegbrengen in batterijonderzoek
Een probleem met de ontwikkeling van batterijen is begrijpen hoe de prestaties veranderen met de leeftijd. Een goede kennis van dit soort degradatie stelt onderzoekers in staat om ineffectieve ontwerpen eerder af te wijzen en zich te concentreren op meer veelbelovende ontwerpen.
Niemand heeft echter een goed theoretisch model van batterijdegradatie ontwikkeld, dus dit soort informatie moet uit experimenten worden verzameld, wat een lange en dure taak kan zijn. De huidige lithium-ionbatterijen verslechteren bijvoorbeeld in duizenden cycli.
Volgens Matthew Pinson en Martin Bazant van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge zou de beschikbaarheid van een eenvoudig, maar nauwkeurig wiskundig model van statistieken over capaciteitsvervaging en levensduur de ontwikkeling en commercialisering van batterijen aanzienlijk kunnen versnellen.
En dat is precies wat deze jongens hebben ontwikkeld: een eenvoudig model van de manier waarop de batterijcapaciteit in de loop van de tijd vervaagt.
Batterijen gaan geleidelijk achteruit omdat het proces van opladen en opladen onvermijdelijk zijn tol eist. Tijdens deze cyclus pendelen ionen van het ene deel van de batterij naar het andere, waardoor ze zichzelf in roosters dwingen die niet altijd zijn ontworpen om ze gemakkelijk te accepteren.
Wanneer lithiumionen bijvoorbeeld een siliciumrooster binnendringen, zorgen ze ervoor dat het met een factor vier in volume uitzet. Dat zorgt voor aanzienlijke mechanische spanningen tijdens elke laadcyclus, die de neiging hebben om het silicium uit elkaar te scheuren. Dat is de reden waarom silicium, hoewel anders veelbelovend, nog moet worden gebruikt als anodemateriaal.
Bij lithium-ionbatterijen treedt capaciteitsvervaging om een andere reden op. In dit geval reageert de elektrolyt met lithium aan de negatieve elektrode en vormt een permanente vaste laag die de vaste-elektrolyt-interfase wordt genoemd.
De batterij blijft werken omdat lithiumionen gemakkelijk door deze laag kunnen reizen.
Toch groeit deze laag langzaam. Door de reactie met de elektrolyt wordt lithium uit het systeem verwijderd en na vele duizenden cycli veroorzaakt dit een geleidelijke vermindering van de prestaties die capaciteitsvervaging wordt genoemd. Dit zorgt er uiteindelijk voor dat de batterij niet meer werkt.
Het nieuwe model van Pinson en Bazant simuleert dit proces. Ze modelleren de concentratiegradiënten van lithium via de vaste-elektrolyt-interfase en de concentratiegradiënt van andere reactieve ingrediënten in de elektrolyt. Hierdoor kunnen ze simuleren hoe de interfaselaag in de loop van de tijd evolueert.
Voor zover wij weten, is dit de eerste poging om theoretisch de spatio-temporele verdeling van vaste-elektrolyt-interfasevorming in een poreuze elektrode theoretisch te voorspellen, zeggen Pinson en Bazant.
Ze breiden het model verder uit om te werken met andere materialen die snel afbreken, zoals silicium.
Een belangrijke test van elk model is natuurlijk hoe goed het overeenkomt met experimentele observatie. Wat dat betreft werkt het model goed, zeggen ze. Onze eenvoudige modellen zijn in staat om een verscheidenheid aan gepubliceerde experimentele gegevens voor grafiet- en siliciumanoden nauwkeurig te passen.
Dat is zeker veelbelovend, maar voorzichtigheid is altijd aan te raden in de notoir complexe wereld van elektrochemie. Als een eenvoudig model kan helpen om complex gedrag te verklaren, allemaal goed en wel. Maar er zullen genoeg twijfelaars zijn die moeten worden overtuigd.
De echte test zal zijn of dit model voorspellende waarde heeft in echt batterijonderzoek - is het betrouwbaar genoeg om de richting van toekomstig werk te helpen bepalen?
Dat is nog een open vraag.
Referentie: arxiv.org/abs/1210.3672 : Theorie van SEI-vorming in oplaadbare batterijen: capaciteitsvervaging, versnelde veroudering en voorspelling van de levensduur